Tài liệu định vị trong vô tuyến băng siêu rộng uwb

  • Số trang: 102 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 227 |
  • Lượt tải: 0

Mô tả:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN MINH TÚ ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2019 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN MINH TÚ ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VŨ VĂN SAN HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên Trần Minh Tú ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn các thầy cô giáo đã tạo điều kiện cho tôi một môi trường học tập tốt, đồng thời truyền đạt cho tôi một vốn kiến thức quý báu, một tư duy khoa học để phục vụ cho quá trình học tập và công tác của tôi. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp Cao học Kỹ thuật viễn thông M17CQTE01-B khóa 2017- 2019 đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua. Đặc biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. VŨ VĂN SAN đã tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, giúp tôi có nhận thức đúng đắn về kiến thức khoa học, tác phong học tập và làm việc, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Trần Minh Tú iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................v DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. vii DANH SÁCH CÁC HÌNH.................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB ..............................................................................................................4 1.1. Giới thiệu ...............................................................................................4 1.2. Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB...........5 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn ..............................................................................5 1.2.2. Tín hiệu UWB .................................................................................................10 1.3.Mô hình hệ thống truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB ..........11 1.4. Đặc điểm của tín hiệu và hệ thống UWB ............................................19 1.5. Các lĩnh vực ứng dụng của vô tuyến UWB .........................................25 1.6. Kết luận chương 1................................................................................27 CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB ......28 2.1 Giới thiệu ..............................................................................................28 2.2 Ước tính tham số và định vị .................................................................29 2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị ..............................................31 2.3.1 Phương pháp cường độ trường của tín hiệu thu RSS .......................................31 2.3.2. Phương pháp góc đến AOA ............................................................................34 2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA .....................................................................36 2.3.4. Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA ........................................................42 2.3.5. Một số phương pháp kết hợp điển hình ..........................................................44 2.4. Phương pháp định vị trí .......................................................................45 iv 2.4.1 Định vị trí cầu...................................................................................................46 2.4.2. Định vị trí hyperbolic ......................................................................................47 2.4.3 Ước tính vị trí theo thuật toán sai số bình phương nhỏ nhất LSE ...................50 2.5. Giao thức định vị .................................................................................51 2.6. Kết luận chương 2................................................................................58 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂN HÌNH TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB ............................................................................................................59 3.1 Giới thiệu ..............................................................................................59 3.2. Mô hình và kịch bản mô phỏng ...........................................................59 3.3. Phân tích, mô phỏng, đánh giá hiệu năng một số phương pháp định vị điển hình ................................................................................................................61 3.3.1. Tính toán, mô phỏng và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính khoảng cách............................................................................................................................61 3.3.2. Tính toán, mô phỏng và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính góc đến AOA ..........................................................................................................................63 3.3.3. Tính toán và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính thời điểm đến TOA 65 3.4. Giải pháp điển hình để cải thiện tính chính xác của định vị................68 3.5. Kết luận chương 3................................................................................73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................75 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt AOA Nghĩa tiếng Anh Angle of Arrival Additive White Gaussian AWGN Noise BPSK Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple CDMA Access CIR Channel Impulse Response CRLB Cramer-Rao Lower Bound Defense Advanced Research DARPA Project Agency DSA Dynamic Spectrum Access DSDirect Sequence Spread UWB Spectrum UWB Equivalent Isotropically EIRP Radiated Power ESD Energy Spectral Densty European telecommunication ETSI Standards Institue Federal Communications FCC Commission FEC Forward Error Correction FH Frequency Hoping FSK Frequency Shift Keying GPS Global Positioning System Global System for Mobile GSM Telecommunications Inverse Discrete Fourier IDFT Transform Institute of Elictrical and IEEE Elictronics Engineers IRImpluse Radio-Ultra Wide UWB Band IR Impulse Radio ISI Inter-Symbol Interference Nghĩa tiếng Việt Góc tới (góc đến) Tạp âm Gausơ trắng cộng Khóa chuyển pha pha hai trạng thái Đa truy nhập phân chia theo mã Đáp ứng xung kim của kênh Giới hạn dưới Cramer-Rao Cơ quan phụ trách các dự án nghiên cứu cao cấp về Quốc phòng (ở Mỹ) Truy cập phổ tần động UWB trải phổ chuỗi trực tiếp Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương Mật độ phổ năng lượng Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu Ủy ban truyền thông Liên bang (ở Mỹ) Hiệu chỉnh lỗi trước Nhảy tần Khoá dịch tần Hệ thống định vi toàn cầu Hệ thống thông tin di động toàn cầu Biến đổi Fourier rời rạc nghịch Viện các kỹ sư Điện và Điện tử Vô tuyến xung kim – Băng siêu rộng Vô tuyến xung kim Giao thoa giữa các ký hiệu (nhiễu xuyên ký hiệu) vi LOS LSE MB MCCDMA ML International Telecommunications Union International Telecommunications UnionRadio Sector Line of Sight Least Square Error Multi Band Multi Carrier Code Division Multiple Access Maximum Likelihood LSE Least Square Error MUI NLOS Multi User Interference None Line of Sight Orthogonal Frequency Division Multipex Pulse Amplitude Modulation Power Delay Profile Pseudo Noise Pulse Position Modulation Pricise Positioning System Power Spectral Density Phase Shift Keying Primary User Received Signal Strength Self – Positioning Algorithm Signal to Noise Ratio Standard Positioning Systerm Secondary User Time difference of Arrival Time Hopping Time Hopping Ultra Wide Band Time of Arrival Ultra Wideband Wireless Local Area Network Wireless Personal Access Network ITU ITU-R OFDM PAM PDP PN PPM PPS PSD PSK PU RSS SPA SNR SPS SU TDOA TH THUWB TOA UWB WLAN WPAN Liên minh Viễn thông Quốc tế Liên minh Viễn thông quốc tế bộ phận vô tuyến Trực xạ (đường truyền thẳng) Sai số quân phương nhỏ nhất Đa băng Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang Khả năng giống cực đại (hợp lý cực đại) Sai số bình phương nhỏ nhất (bình phương của sai số nhỏ nhất) Nhiễu đa người dùng Không trực xạ (truyền không trực tiếp) Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Điều chế biên độ xung Lý lịch trễ công suất Giả tạp âm Điều chế vị trí xung Hệ thống định vị chính xác Mật độ phổ công suất Khóa dịch pha Người dùng sơ cấp Cường độ trường của tín hiệu thu Thuật toán tự định vị Tỷ số tín hiêu trên tạp âm Hệ thống định vị tiêu chuẩn Người dùng thứ cấp Vi sai thời gian đến Nhảy thời gian Vô tuyến băng siêu rộng nhảy thời gian Thời gian đến (góc tới) Băng siêu rộng Mạng nội bộ không dây Mạng truy nhập cá nhân không dây vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1: a) Phân bổ kênh UWB – tín hiệu băng rộng; b) Quy hoạch kênh UWB – tín hiệu băng hẹp .......................................................................................................14 Bảng 1. 2: Các tham số đặc trưng của một số hệ thống vô tuyến điển hình .............20 Bảng 3. 1: Các tham số kênh đối với môi trường kênh truyền sóng UWB ..............61 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. 1: Độ rộng băng tần năng lượng.....................................................................6 Hình 1. 2: Phổ công suất của hệ thống UWB và phổ công suất của các hệ thống vô tuyến hiện hành điển hình. ..........................................................................................9 Hình 1. 3: Các tới hạn để thiết kế tín hiệu UWB ......................................................12 Hình 1. 4: a)Phân bổ băng tần cho các kênh UWB (hình bên trên); b) Quy hoạch băng tần cho các kênh UWB 500 MHz (hình bên dưới)...........................................13 Hình 1. 5: a) Minh họa mô hình khái niệm về hệ thống UWB ở dạng đơn giản; b) Minh họa máy phát xung tín hiệu UWB ...................................................................18 Hình 1. 6: Minh họa các khả năng, đặc tính, và tính cách của hệ thống UWB ........22 Hình 2. 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối ................................29 Hình 2. 2: Minh họa ước tính khoảng cách dựa vào RSS khi: a) không có sai số (chính xác); b) có sai số, khoảng cách nhận được có độ bất định được biểu thị bởi vùng màu xám ...........................................................................................................33 Hình 2. 3: Minh họa ước tính góc đến AOA: a) nút tham chiếu đo xác định góc ψ giữa nó và nút đích; b) quan hệ giữa sự khác nhau về thời điểm đến và ψ tại dàn anten. .........................................................................................................................34 Hình 2. 4: Xung chữ nhật có độ rộng T và đầu ra của bộ lọc thích hợp ...............38 Hình 2. 5: Ảnh hưởng của trễ không được biết trước lên đầu ra của bộ đồng bộ mở cổng sớm muộn (early-late gate synchronizer ) ........................................................40 Hình 2. 6: Quá trình trao đổi bắt tay đo cự ly đối với các thiết bị định vị UWB (được đề xuất trong bởi Fleming and Kushner, 1997). .............................................41 Hình 2. 7: a) Ước lượng TDOA xác định đường hyperbol mà nút đích đi thông qua có tiêu cự tại các nút tham chiếu; b) Minh họa ước lượng lai ghép TOA/AOA .......43 Hình 2. 8: Minh họa về định vị trí cầu của nút Ni trong không gian hai chiều với N1, N2, N3 là các nút tham chiếu .....................................................................................47 Hình 2. 9: Minh họa về định vị hyperbolic của nút Ni trong không gian hai chiều với các nút tham chiếu N1, N2 và N3 ...............................................................................49 ix Hình 2. 10: Minh họa ảnh hưởng của sai số đo khoảng cách lên định vị cầu của nút Ni trong không gian hai chiều với các nút tham chiếu N1, N2, N3 ............................50 Hình 3. 1: Mô hình mô phỏng định vị trong truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB..........................................................................................................................60 Hình 3. 2: Độ lệch chuẩn nhỏ nhất của ước tính khoảng cách dựa vào RSS cách đối với các mô hình kênh khác nhau ...............................................................................62 Hình 3. 3: Biểu diễn giới hạn dưới CRLB của ước tính AOA theo SNR tại các giá trị khác nhau của độ rộng xung tín hiệu UWB (tương đương, băng thông hiệu dụng khác nhau): dàn anten loại ULA 4 phần tử cáchđều nhau 5cm tại góc tới   45o .64 Hình 3. 4: Biểu diễn giới hạn dưới CRLB của ước tính AOA theo tại các giá trị khác nhau của độ rộng xung tín hiệu UWB (tương đương, băng thông hiệu dụng khác nhau): dàn anten loại ULA 4 phần tử cách đều nhau 5cm tại SNR = 5dB.......65 Hình 3. 5: Độ lệch chuẩn (giới hạn dưới CRLB) của ước tính khoảng cách dựa trên TOA tại các độ rộng xung khác nhau của tín hiệu UWB .........................................68 Hình 3. 6 : a) Các nút tạo ra ban đầu; b) Ước tính vị trí cho một nút đích (Hình vuông: các nút tham chiếu; hình tròn: các nút khác; hình sao: vị trí ước tính của nút đích; hình tam giác: vị trí hiệu dụng của nút đích) ...................................................71 Hình 3. 7: a) Các nút tạo ra ban đầu; b) Ước tính vị trí cho một nút đích (Hình vuông: các nút tham chiếu; hình tròn: các nút khác; hình sao: vị trí ước tính của nút đích; hình tam giác: vị trí hiệu dụng của nút đích) ...................................................72 1 MỞ ĐẦU UWB là công nghệ vô tuyến tầm ngắn, bổ xung cho các công nghệ vô tuyến tầm dài khác như Wi-Fi, WiMAX và thông tin tế bào vùng rộng. Việc kết hợp phổ rộng và công suất thấp đã cải thiện được tốc độ truyền dẫn cao và giảm nhiễu đến các phổ vô tuyến khác. Hiện nay các ứng dụng định vị, đo lường ngoài trời (outdoor) thường dựa vào thệ thống định vị toàn cầu (GPS), tuy nhiên với các ứng dụng trong nhà thì hệ thống định vị toàn cầu không tin cậy vì cho sai số quá lớn, do đó công nghệ UWB được nghiên cứu để định vị các ứng dụng trong nhà thông qua việc sử dụng dữ liệu chuyển tiếp từ một thiết bị tới các thiết bị khác trong vùng gần (từ 3 tới 10 mét) [5], [9], [10]. Thiết bị thông tin UWB nói chung được phép hoạt động trên một số dải tần trong khoảng từ 3 GHz đến 10.6 GHz dành cho công nghệ UWB và với giới hạn mật độ công suất phát lớn nhất là -41,3 dBm/MHz. Ngoài ra thiết bị UWB có khả năng sử dụng các công nghệ giảm nhiễu như DAA (xác định và tránh), điều khiển kênh nên có thể giới hạn được nhiễu khi trùng tần số với các thiết bị khác [4],[5]. Công nghệ UWB cho phép chế tạo các thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, giá thành rẻ, tiêu hao năng lượng ít và gần như không bị tác động của nhiễu đa đường (multipath) và nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference : ISI). Điều này rất phù hợp với các ứng dụng của mạng phạm vi cá nhân không dây (WPAN) mạng cảm biến không dây (WSN) và hệ thống định vị [5],[9], [10]. Đặc điểm cơ bản của truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) là: Tín hiệu được truyền trên môi trường kênh vô tuyến có độ rộng xung rất hẹp, được gọi là vô tuyến xung kim (IR), phổ tần rất rộng và năng lượng rất nhỏ, dung lượng lớn, sự đồng hoạt động với các hệ thống vô tuyến hiện hành trên cùng vùng phổ tần, khả năng truy cập phổ tần động, khả năng đề kháng với kênh pha đinh đa đường, khả năng định vị chính xác cao. Vì vậy, truyền thông vô tuyến UWB được coi là giải pháp sử dụng hiệu quả và khá triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan hiếm. Dẫn đến việc xem xét, nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý (tạo tín hiệu, định dạng xung tín hiệu, kênh và mô hình kênh, tính chất phân tập thời gian của tín hiệu thu cũng 2 như cấu trúc máy thu,v.v...) đối với hệ thống UWB có đặc trưng riêng và tổng quát hơn. Do đó, nó phù hợp với các ứng dụng truyền thông vô tuyến ở mô hình kênh trong nhà và vùng phủ sóng hẹp. Từ đặc điểm cơ bản này, dẫn đến sự thành công, tính hiệu quả của vô tuyến UWB đã, đang, và sẽ tiếp tục được khẳng định trong các lĩnh vực như: vô tuyến hóa các thiết bị cá nhân, lĩnh vực y tế, lĩnh vực định vị,v.v…, điển hình như mạng cảm biến không dây, mạng tùy biến không dây, mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN), Radar,v.v… Đặc biệt là: tiềm năng, khả năng ứng dụng, cũng như tính khả thi của nó trong các mạng vô tuyến thế hệ sau (điển hình như mạng vô tuyến khả thi trong việc giải quyết thách thức của nó ở dạng hợp tác cảm nhận và phát hiện phổ tần trống, truy nhập và chia sẻ phổ tần động,v.v...) cũng như việc vi mạng hóa môi trường truyền sóng vô tuyến, khách sạn hóa trạm thu phát sóng vô tuyến, truyền thông xanh,v.v…Tất cả, nhằm khai thác hiệu quả và triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan hiếm cũng như hiệu quả tài nguyên năng lượng, khai thác triệt để năng lực và tiềm năng vốn có của các phần tử và nút mạng [5]. Luận văn thực hiện đề tài “Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB” với trọng tâm chính là phân tích một cách chi tiết một số thuật toán cho việc ước lượng khoảng cách, định vị trí và một số giao thức điển hình ở dạng phân tích, mô phỏng nhằm làm sáng tỏ tính ưu việt cũng như tiềm năng, khả năng ứng dụng của công nghệ UWB. Theo đó, luận văn được tổ chức và trình bày trong 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến UWB; Mô hình hệ thống truyền thông vô tuyến UWB; Đặc điểm của tín hiệu và hệ thống truyền thông UWB; Các ứng dụng điển hình của vô tuyến UWB. Chương 2: Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Ước lượng tham số và định vị trí; 2 Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị. 3 Chương 3: Phân tích, mô phỏng, đánh giá hiệu năng một số phương phápđịnh vị điển hình trong vô tuyến băng siêu rộng UWB thực hiện: Mô hình và kịch bản mô phỏng; Phân tích, mô phỏng, đánh giá hiệu năng một số phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính chính xác của định vị. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1. Giới thiệu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide Band) được phát triển từ những năm 1960, trong các hệ thống thông tin quân sự. UWB đôi khi còn được gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung, vô tuyến xung kim IR, hoặc vô tuyến băng gốc do sử dụng phương pháp phát trực tiếp các xung rất hẹp. Hiện tại, công nghệ này được nghiên chủ yếu cứu cho ứng dụng trong thông tin vô tuyến cự ly ngắn (vùng phủ hẹp), với tốc độ truyền dẫn rất cao (lên tới 500 Mbit/s), đặc biệt trong mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN). Hiện tại, Viện thiết kế điện và điện tử (IEEE) là tổ chức tiêu chuẩn chính trong việc đề xuất các tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vô tuyến UWB cho hệ thống WPAN. Ngoài ra, còn có rất nhiều các ứng dụng khác của UWB, như trong Radar, thông tin xuyên tường, mạng cảm biến, định vị với độ chính xác rất cao, v.v…[4], [6]. So với các hệ thống vô tuyến băng hẹp truyền thống, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn nhiều. UWB cũng có thể hỗ trợ đa truy nhập. Những tính năng này làm cho UWB đặc biệt phù hợp với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện trong WPAN. Nhóm công tác IEEE 802.15.3 đã nghiên cứu sử dụng UWB như là một trong các lựa chọn hợp lý nhất cho lớp vật lý của WPAN. Ở châu Âu, ETSI cũng đẩy mạnh nghiên cứu chuẩn hoá công nghệ UWB, về cơ bản dựa trên nền tảng quy định của FCC. Tháng 7/2002, ITU cũng đã thành lập nhóm chuyên trách ITU-R TG 1/8 có nhiệm vụ nghiên cứu và đề xuất các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan về UWB [4], [6], [7]. Về phương diện thiết kế chế tạo sản phẩm, hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt là hiệu suất của hệ thống. Việc nâng cao hiệu suất của hệ thống sẽ giúp giải quyết các vấn đề như: Tăng thông lượng của hệ thống; Tăng độ tin cậy; Mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống[4], [5]. 5 Với ưu điểm không cần giấy phép phổ tần, tốc độ truyền dẫn cao, công suất phát thấp, UWB sẽ là phương tiện kết nối hữu hiệu giữa các thiết bị ngoại vi (thiết bị quan sát, theo dõi, giám sát, điều khiển vận hành,v.v…), thiết bị đa phương tiện... với thiết bị trung tâm, thiết bị di động trong phạm văn phòng hoặc gia đình. Vô tuyến băng siêu rộng UWB dựa vào việc phát xạ các dạng sóng, được đặc tính hóa bởi độ rộng băng tần năng lượng tức thời lớn hơn khoảng [0,20-0,25]. Trong chương này, luận văn phân tích nguyên lý độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn và định nghĩa vô tuyến băng siêu rộng UWB. 1.2. Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn Việc chấp nhận chung thuật ngữ “băng siêu rộng UWB” xuất phát từ lĩnh vực radar băng siêu rộng UWB và liên quan với sóng điện từ được đặc tính hóa bởi độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn tức thời lớn hơn khoảng [0,20 - 0,25]. Để làm sáng tỏ định nghĩa này, trước hết luận văn phải định nghĩa độ rộng băng tần năng lượng của sóng tín hiệu. Gọi E là năng lượng tức thời của sóng tín hiệu, độ rộng băng tần năng lượng được xác định bởi tần số f L và f H , trong khoảng tần số này hầu như năng lượng của sóng nằm trên đó (cỡ 90%). Ta gọi khoảng tần số  f L , f H  là độ rộng băng tần năng lượng, hay băng thông năng lượng (energy bandwith), [4], [6]. Trong lĩnh vực radar, vô tuyến băng siêu rộng dựa vào việc phát xạ sóng được cấu thành từ chuỗi xung có thời gian rất ngắn (khoảng vài trăm ps). Trong các hệ thống này, thông tin truyền đi ở dạng chuỗi nhị phân và thông tin của mỗi bit (0 hoặc 1) được truyền đi ở dạng truyền một hoặc nhiều xung theo kiểu lặp lại mã (lặp bit). Việc thể hiện một bit bằng cách phát lặp xung làm tăng mức độ chắc chắn. Nguyên lý truyền dẫn xung được áp dụng cho sơ đồ phát tín hiệu UWB. Người ta mở rộng khái niệm UWB cho các kỹ thuật truyền dẫn liên tục. Trong phần này, luận văn xét cho tín hiệu dạng xung [4], [5],[6]. 6 Điều quan trọng ta cần lưu ý là, E được dùng để biểu thị cho năng lượng tức thời, trong đó nó phải được tính trên khoảng thời gian của một xung. Nếu một bit tương ứng với việc xử lý nhiều xung, thì trong hầu hết các trường hợp E được dùng để biểu thị năng lượng của toàn bộ các xung đó. Đây là một khái niệm quan trọng: Nếu nhiều xung được sử dụng cho việc truyền dẫn một bit, ta cần định rõ năng lượng của nhóm các xung trong việc quyết định từng bit vì ảnh hưởng của tạp âm lên máy thu phải được ước lượng dựa trên năng lượng được định nghĩa là năng lượng hữu ích của tín hiệu. Hình 1.1minh họa khái niệm độ rộng băng tần (băng thông) năng lượng. Ta lưu ý rằng, nếu f L là giới hạn dưới và f H là giới hạn trên của mật độ phổ năng lượng (ESD), thì tần số trung tâm của phổ được định vị tại  f H  f L  2 . Độ rộng băng tần phân đoạn được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần năng lượng và tần số trung tâm, được biểu diễn là: FB   fH  fL  (1.0)  fH  fL   2   Phổ năng lượng fH  fL 0 fL fL  fH 2 fH Hình 1. 1: Độ rộng băng tần năng lượng Tần số 7 Nếu độ rộng băng tần phân đoạn lớn hơn [0,20-0,25], thì ta nói tín hiệu đó là tín hiệu băng siêu rộng UWB. Ví dụ, một tín hiệu có độ rộng băng tần năng lượng 2 MHz là tín hiệu băng siêu rộng UWB nếu tần số trung tâm của phổ năng lượng nhỏ hơn 10 MHz. Lưu ý rằng, định nghĩa về tín hiệu UWB chỉ có tính tương đối theo tần số trung tâm. Thường sử dụng thuật ngữ “phần trăm độ rộng băng tần”. Phần trăm độ rộng băng tần chỉ là băng thông (hay độ rộng băng tần) phân đoạn ở đơn vị phần trăm. Ví dụ, một tín hiệu có băng thông năng lượng là 1 MHz và tần số trung tâm là 2 MHz thì phần trăm băng thông là 50%. Nó là tín hiệu băng siêu rộng vì băng thông phân đoạn của nó là 0,50 (lớn hơn giới hạn dưới 0,2 - 0,25). Cũng có thể sử dụng băng thông tương đối, bằng một nửa giá trị của băng thông phân đoạn. Băng thông tương đối biểu diễn tỷ số giữa một nửa băng thông năng lượng và tần số trung tâm. Ngày 14 tháng 02 năm 2002, FCC (Mỹ) đưa ra bản báo cáo đầu tiên và đơn đặt hàng, theo đó cho phép triển khai thương mại công nghệ UWB. Từ đó, hệ thống UWB đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và phát triển trên phạm vi toàn cầu. Theo định nghĩa của FCC, UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ nằm trong phạm vi từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz; năng lượng phát xạ cực đại là -41,3 dBm/MHz (hay 0,5 mW) nếu sử dụng toàn bộ dải tần 7,5 GHz. Mức năng lượng rất thấp này giúp cho UWB không gây nhiễu lên các hệ thống hiện hành (cho dù cùng dải tần), tuy nhiên, lại chỉ có thể ứng dụng với khoảng cách truyền thông ngắn (dưới 100 m). Giới hạn này được FCC đưa ra là chỉ với mục tiêu áp dụng cho các hệ thống UWB trong thị trường thông tin vô tuyến công cộng. Tồn tại nhiều cách chọn tần số giới hạn dưới f L và giới hạn trên f H , nó phụ thuộc vào yêu cầu nghiêm ngặt về băng thông được thiết lập. Trong một bản phát hành về các mặt nạ phát xạ tín hiệu UWB của Ủy ban thông tin Liên bang Mỹ (FCC, 2002), thì f L và f H được đặt là tần số nhỏ nhất và lớn nhất của điểm phát xạ -10 dB (nghĩa là, tại điểm này công suất của tín hiệu giảm 10dB so với công suất đỉnh trong miền tần số). Việc lựa chọn băng thông -10dB (nghĩa là, độ rộng băng 8 tần của tín hiệu được xác định tại ngưỡng -10 dB so với giá trị đỉnh của phổ) so với băng thông -20dB được thiết lập bởi Cơ quan phụ trách các dự án nghiên cứu cao cấp về Quốc phòng Mỹ (DAPRA, 1990), điều này đã được thúc đẩy bởi một thực tế rằng, cho phép phát xạ tín hiệu UWB ở một mức công suất thấp, rất gần với mức sàn tạp âm. Trong các điều kiện này, điểm phát xạ -20 dB không thể đo được một cách tin cậy. Trong các tài liệu của FCC, một tín hiệu được coi là tín hiệu UWB nếu băng thông của nó tại điểm phát xạ -10 dB lớn hơn 500 MHz, mà không cần quan tâm đến băng thông phân đoạn FB. Độ rộng băng tần 500 MHz là nhỏ hơn giới hạn băng thông tối thiểu 1,5 GHz được thiết lập bởi DAPRA. Việc giảm này được thúc đẩy bởi việc dùng băng thông -10 dB hơn là dùng băng thông -20 dB được chấp nhận trong (DAPRA, 1990). Cũng theo FCC, UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ chiếm dải thông -10 dB của ít nhất 500 MHz trong băng tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz, với công suất phát cực đại -41,3 dBm/MHz (hay 0,5 mW) khi toàn bộ dải tần 7,5 GHz được dùng. Đối với hệ thống UWB, mặt nạ phổ tín hiệu theo FCC được minh họa như trên hình 1.2a, b, c, d. Báo cáo đầu tiên và các thiết bị UWB phải hoạt động trong dải tần 3,1 đến 10,6 GHz với giới hạn PSD là -41,3 dBm/MHz. Các ứng dụng truyền thông, mặt nạ phát xạ trong nhà và ngoài trời được thể hiện ở hình 1.2 a và hình 1.2b. Chỉ có thiết bị cầm tay là hoạt động ngoài trời. Cả hai trường hợp yêu cầu phát xạ rất nhỏ trong băng tần của hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Đủ để bảo vệ cho dịch vụ TV vệ tinh, PCS, và tế bào. Mặt nạ phát xạ ngoài trời có phần nghiêm ngặt hơn, nhằm bảo vệ các dịch vụ này. Ngoài truyền thông dữ liệu, báo cáo đầu tiên cũng cho phép UWB sử dụng các dịch vụ khác như hình ảnh, radar di chuyển. Một số ứng dụng cho thường dân và thương mại, trong khi đó một số khác cho quân đội. Tương tự như truyền thông dữ liệu, mặt nạ phát xạ được đặc tả cho từng ứng dụng (hình 1.2 c-d). 9 Tần số (Hz) Tần số (Hz) Tần số (Hz) Tần số (Hz) Bluetooth WLAN 802.11b Cordless Phones -41 dBm/ MHz Băng tần U-NII GPS Công suất phát xạ Băng tần ISM PCS Mặt nạ phổ hệ thống UWB theo quy định của FCC WLAN 802.11a Cordless Phones Phổ tần UWB 1,6 1,9 2,4 3,1 5 10,6 Tần số (GHz) e) Minh họa phổ tín hiệu của hệ thống UWB và các hệ thống hiện hành. Hình 1. 2: Phổ công suất của hệ thống UWB và phổ công suất của các hệ thống vô tuyến hiện hành điển hình. Các Radar tự động thực hiện giám sát không gian trong vùng lân cận của ô tô. Chúng cung cấp thông tin phản hồi cho lái xe hoặc kích hoạt phanh, nếu không
- Xem thêm -